Jak działa fotowoltaika: Zasada działania instalacji krok po kroku

Energia ze słońca może zasilać Twój dom dzięki specjalnej technologii zwanej fotowoltaiką. Panele fotowoltaiczne przechwytują światło słoneczne i przekształcają je w prąd stały, który następnie zamienia się na prąd zmienny gotowy do użycia w Twoich urządzeniach domowych. Ten proces wykorzystuje zjawisko fizyczne odkryte już w XIX wieku, ale dopiero teraz staje się dostępny dla zwykłych użytkowników.

Zrozumienie zasad działania fotowoltaiki pomoże Ci podjąć świadomą decyzję o instalacji oraz lepiej wykorzystać jej możliwości. System składa się z kilku kluczowych elementów, które współpracują ze sobą, aby dostarczyć energię do Twojego domu i przekazać nadwyżki do sieci energetycznej.

W tym artykule poznasz podstawowe zasady działania tej technologii oraz dowiesz się, jak poszczególne komponenty instalacji pracują razem. Wyjaśnimy proces krok po kroku, od momentu gdy promień słońca dotrze do panelu, aż do momentu gdy prąd pojawi się w gniazdku.

Podstawy działania fotowoltaiki

Fotowoltaika wykorzystuje efekt fotowoltaiczny do przekształcenia światła słonecznego w prąd elektryczny poprzez ogniwa wykonane z krzemu. Ten proces zachodzi w panelach fotowoltaicznych, które zawierają półprzewodniki generujące elektrony pod wpływem fotonów.

Czym jest fotowoltaika i efekt fotowoltaiczny

Fotowoltaika to technologia przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. Nazwa pochodzi z połączenia słów „foto” (światło) i „volt” (jednostka napięcia elektrycznego).

Efekt fotowoltaiczny to zjawisko fizyczne odkryte w 1839 roku. Polega na generowaniu napięcia elektrycznego w materiale pod wpływem światła.

Gdy fotony uderzają w powierzchnię półprzewodnika, przekazują swoją energię elektronom. Te elektrony otrzymują wystarczająco dużo energii, aby uwolnić się z atomów.

Uwolnione elektrony tworzą przepływ prądu elektrycznego. Im więcej fotonów pada na materiał, tym więcej elektronów się uwalnia i tym większy prąd powstaje.

Rola ogniw i paneli fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne to podstawowe elementy każdej instalacji. Pojedyncze ogniwo wytwarza niewielkie napięcie – około 0,5-0,6 V.

Aby uzyskać większą moc, ogniwa łączy się w panele fotowoltaiczne. Standardowy panel zawiera 60 lub 72 ogniwa połączone szeregowo.

Panel fotowoltaiczny chroni ogniwa przed warunkami atmosferycznymi. Składa się z:

• Szkła hartowanego (warstwa górna)

• Folii EVA (ochrona ogniw)

• Ogniw fotowoltaicznych

• Folii tylnej (izolacja)

• Ramy aluminiowej

Typowy panel mieszkalny ma moc 300-450 W. Aby zwiększyć moc instalacji, łączysz wiele paneli w ciągi.

Przeczytaj także: https://www.maxvent.pl/ile-kosztuje-fotowoltaika-aktualne-ceny-instalacji-w-2025-roku/

Proces konwersji energii słonecznej w energię elektryczną

Konwersja energii słonecznej w energię elektryczną przebiega w kilku etapach:

Etap 1: Absorpcja światła Fotony ze światła słonecznego wnikają w strukturę półprzewodnika. Każdy foton niesie określoną ilość energii.

Etap 2: Wybijanie elektronów Energia fotonów wyrywa elektrony z atomów krzemu. Powstają wolne elektrony i „dziury” (miejsca po elektronach).

Etap 3: Rozdzielenie ładunków Pole elektryczne w ogniwie rozdziela elektrony i dziury. Elektrony wędrują do jednej strony ogniwa, dziury do drugiej.

Etap 4: Generowanie prądu Gdy podłączysz obwód zewnętrzny, elektrony przepływają przez niego. Ten przepływ to prąd stały (DC).

Sprawność typowego ogniwa wynosi 15-22%. Oznacza to, że tylko taka część energii słonecznej zamienia się w elektryczność.

Znaczenie krzemu i półprzewodników w technologii PV

Krzem to podstawowy materiał w 95% ogniw fotowoltaicznych. Wybiera się go ze względu na właściwości półprzewodnikowe i dostępność.

Czysty krzem nie przewodzi prądu. Aby stał się półprzewodnikiem, dodaje się do niego domieszki w procesie domieszkowania.

Rodzaje krzemu w fotowoltaice:

Krzem typu n zawiera domieszki fosforu (dodatkowe elektrony). Krzem typu p ma domieszki boru (niedobór elektronów).

Złącze p-n powstaje na granicy tych dwóch warstw. To złącze tworzy pole elektryczne niezbędne do rozdzielenia ładunków i generowania prądu.

Budowa i funkcjonowanie instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku kluczowych elementów, które współpracują ze sobą w celu przekształcenia światła słonecznego w energię elektryczną. System wymaga odpowiedniego zarządzania energią oraz optymalizacji wydajności, aby zapewnić maksymalne korzyści ekologiczne i finansowe.

Elementy systemu fotowoltaicznego

Panele fotowoltaiczne stanowią serce całego systemu. Składają się z ogniw wykonanych głównie z krzemu, które przekształcają światło słoneczne w prąd stały.

Każde ogniwo wykorzystuje efekt fotowoltaiczny – proces, w którym fotony uderzają w elektrony i powodują ich ruch. Ten proces generuje prąd stały o napięciu około 12-24V.

System montażowy utrzymuje panele w optymalnej pozycji. Może być zainstalowany na dachu, gruncie lub jako element architektoniczny budynku.

Prawidłowe ustawienie kąta nachylenia (zazwyczaj 30-40 stopni) i kierunku (południe) maksymalizuje nasłonecznienie. System montażowy musi być wytrzymały i odporny na warunki atmosferyczne.

Okablowanie łączy wszystkie elementy instalacji fotowoltaicznej. Składa się z kabli DC łączących panele oraz kabli AC do podłączenia falownika z siecią.

Właściwe okablowanie zapewnia bezpieczne przekazywanie energii. Musi spełniać normy bezpieczeństwa i być zabezpieczone przed przepięciami.

Zamiana prądu stałego na przemienny – falownik i inwerter

Falownik (inwerter) pełni kluczową rolę w systemie fotowoltaicznym. Przekształca prąd stały z paneli na prąd przemienny o parametrach sieciowych.

Urządzenia domowe działają na prądzie przemiennym 230V/50Hz. Bez falownika energia z paneli nie mogłaby zasilać Twoich urządzeń.

Nowoczesne falowniki oferują sprawność powyżej 95%. Posiadają wbudowane zabezpieczenia przed przepięciami, zwarciem i przegrzaniem.

Typy falowników różnią się budową i zastosowaniem:

• String – jeden falownik dla grupy paneli

• Power optimizer – optymalizatory na każdym panelu + centralny inwerter

• Mikro-inwertory – osobny inwerter dla każdego panelu

Falowniki monitorują pracę systemu w czasie rzeczywistym. Wyświetlają dane o produkcji energii, wydajności i ewentualnych awariach.

Bilansowanie i zarządzanie energią: licznik dwukierunkowy, magazyn energii, net-billing

Licznik dwukierunkowy mierzy energię pobieraną z sieci i oddawaną do sieci. Umożliwia rozliczenie w systemie net-billing, gdzie nadwyżka energii jest sprzedawana po cenach hurtowych.

System net-billing zastąpił wcześniejszy net-metering. Energia oddana do sieci jest rozliczana według cen giełdowych, nie według taryfy detalicznej.

Magazyn energii pozwala przechować nadwyżkę produkowanej energii. Najczęściej stosuje się baterie litowo-jonowe o pojemności 5-15 kWh.

Magazyn zwiększa autokonsumpcję – wykorzystanie własnej energii. Energia z baterii może być używana wieczorem lub w pochmurne dni.

Zarządzanie energią optymalizuje zużycie energii w gospodarstwie domowym. Inteligentne systemy automatycznie włączają urządzenia gdy produkcja energii jest najwyższa.

Moc instalacji fotowoltaicznej powinna być dopasowana do Twojego rocznego zużycia energii. Zbyt duża instalacja nie będzie opłacalna ze względu na niskie ceny sprzedaży nadwyżek.

Czynniki wpływające na wydajność i ekologiczne korzyści

Nasłonecznienie to główny czynnik wpływający na produkację energii. W Polsce średnie nasłonecznienie wynosi 950-1200 kWh/m² rocznie.

Południowe regiony kraju mają wyższe nasłonecznienie niż północne. Różnica może wynosić do 20% w produkowanej energii.

Orientacja i nachylenie paneli znacząco wpływają na wydajność. Optymalne ustawienie to azymut 180° (południe) i kąt nachylenia 35°.

Odchylenie od optymalnych parametrów może zmniejszyć wydajność o 5-15%. Jednak nawet instalacje na dachach wschodnich i zachodnich są opłacalne.

Temperatura wpływa negatywnie na wydajność paneli krzemowych. Przy wzroście temperatury o 10°C moc spada o 3-4%.

Dobre przewietrzanie paneli i odstęp od dachu poprawiają warunki termiczne. Panele powinny być oddalone od powierzchni dachu o minimum 10 cm.

Ekologiczne rozwiązanie fotowoltaiki polega na produkcji czystej energii. Instalacje fotowoltaiczne nie emitują CO2 podczas pracy.

Artykuł powstał przy współpracy z ekspertami Mafot. Mafot to dział firmy Stalmut zajmujący się importem oraz hurtową sprzedażą mocowań fotowoltaicznych – sprawdź ofertę dostępną na mafot.pl.